Universiteit van Californië, Berkeley, scheikundigen hebben een manier ontdekt om het verwijderen van giftige metalen te vereenvoudigen. zoals kwik en boor. tijdens ontzilting om schoon water te produceren, terwijl tegelijkertijd mogelijk waardevolle metalen worden afgevangen, zoals goud.

Ontzilting - het verwijderen van zout - is slechts één stap in het proces van het produceren van drinkbaar water, of water voor landbouw of industrie, uit oceaan- of afvalwater. Voor of na het verwijderen van zout, het water moet vaak worden behandeld om boor te verwijderen, die giftig is voor planten, en zware metalen zoals arseen en kwik, die giftig zijn voor de mens. Vaak, het proces laat een giftige pekel achter die moeilijk te verwijderen is.

De nieuwe techniek, die gemakkelijk kunnen worden toegevoegd aan de huidige op membraan gebaseerde ontziltingsprocessen voor elektrodialyse, verwijdert bijna 100% van deze giftige metalen, het produceren van een zuivere pekel samen met zuiver water en het isoleren van de waardevolle metalen voor later gebruik of verwijdering.

"Ontziltings- of waterzuiveringsinstallaties vereisen doorgaans een lange reeks dure, voor- en nabehandelingssystemen waar al het water doorheen moet, een voor een, " zei Adam Uliana, een afgestudeerde student van UC Berkeley die de eerste auteur is van een paper waarin de technologie wordt beschreven. "Maar hier, we hebben de mogelijkheid om meerdere van deze stappen in één te doen, wat een efficiënter proces is. In principe, je zou het in bestaande opstellingen kunnen implementeren."

De scheikundigen van UC Berkeley synthetiseerden flexibele polymeermembranen, zoals die momenteel worden gebruikt in membraanscheidingsprocessen, maar ingebedde nanodeeltjes die kunnen worden afgestemd om specifieke metaalionen te absorberen - goud- of uraniumionen, bijvoorbeeld. Het membraan kan een enkel type afgestemd nanodeeltje bevatten, als het metaal moet worden teruggewonnen, of verschillende soorten, elk afgestemd om een ​​ander metaal of ionische verbinding te absorberen, als meerdere verontreinigingen in één stap moeten worden verwijderd.

Het polymeermembraan doorspekt met nanodeeltjes is zeer stabiel in water en bij hoge temperaturen, wat niet geldt voor veel andere soorten absorbers, inclusief de meeste metaal-organische raamwerken (MOF's), wanneer ingebed in membranen.

De onderzoekers hopen de nanodeeltjes te kunnen afstemmen om andere soorten giftige chemicaliën te verwijderen, waaronder een veel voorkomende grondwaterverontreiniging:PFAS, of polyfluoralkylstoffen, die in plastic zitten. Het nieuwe proces, die ze ion-capture elektrodialyse noemen, zou ook mogelijk radioactieve isotopen uit het afvalwater van de kerncentrale kunnen verwijderen.

In hun studie hebben verschijnt deze week in het tijdschrift Wetenschap , Uliana en senior auteur Jeffrey Long, UC Berkeley hoogleraar scheikunde, aantonen dat de polymeermembranen zeer effectief zijn wanneer ze worden opgenomen in op membraan gebaseerde elektrodialysesystemen - waarbij een elektrische spanning ionen door het membraan drijft om zout en metalen te verwijderen - en diffusiedialyse, die voornamelijk wordt gebruikt in chemische verwerking.

"Elektrodialyse is een bekende methode voor ontzilting, en hier doen we het op een manier die deze nieuwe deeltjes in het membraanmateriaal opneemt en gerichte giftige ionen of neutrale opgeloste stoffen opvangt, zoals boor, "Zei Long. "Dus, terwijl je ionen door dit membraan stuurt, je ontsmet ook het water voor, zeggen, kwik. Maar deze membranen kunnen ook zeer selectief zijn voor het verwijderen van andere metalen, zoals koper en ijzer, met hoge capaciteit."

Wereldwijde watertekorten vereisen hergebruik van afvalwater

Watertekorten worden overal ter wereld gemeengoed, waaronder in Californië en het Amerikaanse Westen, verergerd door klimaatverandering en bevolkingsgroei. Kustgemeenschappen installeren steeds vaker installaties om oceaanwater te ontzilten, maar gemeenschappen in het binnenland, te, zoeken naar manieren om vervuilde bronnen – grondwater, landbouwafval en industrieel afval - in schoon, veilig water voor gewassen, huizen en fabrieken.

Terwijl omgekeerde osmose en elektrodialyse goed werken voor het verwijderen van zout uit waterbronnen met een hoog zoutgehalte, zoals zeewater, de geconcentreerde pekel die achterblijft kan een hoog gehalte aan metalen bevatten, inclusief cadmium, chroom, kwik, leiding, koper, zink, goud en uranium.

Maar de oceaan wordt steeds meer vervuild door industrie en landbouwafval, en binnenlandse bronnen nog meer.

"Dit zou vooral nuttig zijn voor die gebieden met lage niveaus van verontreinigende stoffen die nog steeds giftig zijn bij deze lage niveaus, evenals verschillende afvalwaterlocaties die veel soorten giftige ionen in hun stromen hebben, ' zei Lang.

De meeste ontziltingsprocessen verwijderen zout - dat grotendeels bestaat als natrium- en chloorionen in water - met behulp van een omgekeerde osmose-membraan, die water doorlaat, maar geen ionen, of een ionenuitwisselingspolymeer, die ionen doorlaat, maar geen water. De nieuwe technologie voegt alleen poreuze nanodeeltjes toe, elk ongeveer 200 nanometer in diameter, die specifieke ionen vangen terwijl het natrium, chloor en andere niet-gerichte geladen moleculen om doorheen te gaan.

Long ontwerpt en bestudeert poreuze materialen die kunnen worden gedecoreerd met unieke moleculen die gerichte verbindingen uit vloeistof- of gasstromen opvangen:kooldioxide uit emissies van elektriciteitscentrales, bijvoorbeeld. De nanodeeltjes die in deze polymeermembranen worden gebruikt, worden poreuze aromatische raamwerken genoemd, of PAF's, dit zijn driedimensionale netwerken van koolstofatomen die zijn verbonden door verbindingen die zijn samengesteld uit meerdere ringvormige moleculen - chemische groepen die aromatische verbindingen worden genoemd. De interne structuur is verwant aan die van een diamant, maar met de link tussen koolstofatomen verlengd door de aromatische linker om veel interne ruimte te creëren. Aan de aromatische linkers kunnen verschillende moleculen worden gehecht om specifieke chemicaliën op te vangen.

Om kwik op te vangen, bijvoorbeeld, zwavelverbindingen genaamd thiolen, waarvan bekend is dat ze kwik stevig binden, zijn bijgevoegd. Toegevoegde gemethyleerde zwavelgroepen maken het afvangen van koper mogelijk, en groepen die zuurstof en zwavel bevatten, vangen ijzer. De gewijzigde nanodeeltjes vormen ongeveer 20% van het gewicht van het membraan, maar, omdat ze erg poreus zijn, goed voor ongeveer 45% van het volume.

Berekeningen suggereren dat een kilogram van het polymeermembraan in wezen al het kwik van 35, 000 liter water met 5 delen per miljoen (ppm) van het metaal, voordat regeneratie van het membraan nodig is.

Uliana toonde in zijn experimenten aan dat boorzuur, een verbinding van boor die giftig is voor gewassen, kunnen door deze membranen worden verwijderd, hoewel met diffusiedialyse die afhankelijk is van een concentratiegradiënt om de chemische stof aan te drijven - die niet ionisch is, zoals metalen - door het membraan dat moet worden opgevangen door de PAF-nanodeeltjes.

"We hebben verschillende soorten water met een hoog zoutgehalte geprobeerd, bijvoorbeeld grondwater, industrieel afvalwater en ook brak water - en de methode werkt voor elk van hen, " zei hij. "Het schijnt voor verschillende waterbronnen veelzijdig te zijn; dat was een van de ontwerpprincipes die we hierin wilden steken."

Uliana toonde ook aan dat de membranen vele malen opnieuw kunnen worden gebruikt - minstens 10, maar waarschijnlijk meer - zonder hun vermogen om ionische metalen te absorberen te verliezen. En membranen die PAF's bevatten die zijn afgestemd om metalen te absorberen, geven hun geabsorbeerde metalen gemakkelijk vrij voor opvang en hergebruik.

"Het is een technologie waarbij afhankelijk van wat uw giftige onzuiverheden zijn, je zou het membraan kunnen aanpassen om met dat soort water om te gaan, "Long toegevoegd. "Je kunt problemen hebben met lood, zeggen, in Michigan, of ijzer en arseen in Bangladesh. Dus, je richt de membranen op specifieke verontreinigde waterbronnen. Deze materialen slaan het echt neer tot vaak onmeetbare niveaus."